Фотолюминесценция

 

© П.М.В., 2006-2015

КОНЕЦ

Фотолюминесценция — это люминесценция, возникающая, под действием световых квантов. Различают фотолюминесценцию с коротким послесвечением (~10-10 секунд), называемую флуоресценцией, и с длительным послесвечением (секунды, минуты, часы), называемую фосфоресценцией. С развитием методов контроля послесвечения такое деление фотолюминесценции становится условным, так как нельзя точно указать границу между флуоресценцией и фосфоресценцией. Точнее, под флуоресценцией следует понимать спонтанную (самопроизвольную) фотолюминесценцию, для которой в случае флуоресценции дискретных центров, электронные переходы изображаются схемой а (см. рисунок). Под фосфоресценцией следует понимать вынужденную фотолюминесценцию, электронные переходы при которой изображены схемой б. Как в том, так и в другом случаях, квант света поглощается дискретным центром, например, молекулой органического вещества (переход 1), а затем за время 10-9 — 10-10 секунд происходит перераспределение электронов по колебательным подуровням.

В случае флуоресценции (схема а) происходит самопроизвольный переход электронов на невозбуждённый уровень с излучением кванта света, меньшего, чем поглощённый. В случае фосфоресценции дискретных центров (схема б) предполагается, кроме невозбуждённого и возбуждённого уровней, ещё и метастабильный уровень, на котором возможна некоторая задержка электрона. За счёт тепловой энергии электроны могут вновь подняться на возбуждённый уровень и возвратиться на невозбуждённый с испусканием кванта света (α-фосфоресценция). Если же переход с метастабильного уровня на возбуждённый становится невозможным, то квант света может освободиться в результате падения электрона с метастабильного на невозбуждённый уровень (β-фосфоресценция).

Для твёрдых кристаллических тел — кристаллофосфОров — возникновение флуоресценции и фосфоресценции поясняется схемами в и г. Ионы, находящиеся в кристаллической решётке, образуют зоны возможных энергетических состояний. Зона невозбуждённого состояния (валентная зона) заполнена электронами и свободное перемещение электронов в ней невозможно. Зона возбуждённого состояния не заполнена электронами, поэтому вдоль неё электроны способны свободно перемещаться (зона проводимости). Введение активатора в кристалл вызывает возникновение местных уровней, соответствующих состоянию активатора и выполняющих роль потенциальных ям для электронов, движущихся в зоне проводимости. При поглощении кванта света электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости, оставляя в заполненной зоне положительный заряд — «дырку». За время около 10-8 секунд электрон падает на самый низкий из подуровней зоны проводимости, а «дырка» всплывает на самый верхний подуровень валентной зоны, происходит рекомбинация «дырки» с электроном активатора и падение электрона из валентной зоны на вакантный уровень образовавшегося центра свечения (флуоресценция кристаллофосфора). При наличии потенциальных ям электрон может задержаться в них значительное время, пока за счёт термического или иного возбуждения не будет вынесен вновь в зону проводимости и не упадёт на вакантный уровень центра свечения с излучением кванта света (фосфоресценция кристаллофосфора).

Фотолюминесценция характеризуется спектрами поглощения, излучения, отношением излучаемой энергии к поглощённой (энергетический выход), отношением числа излученных квантов к числу поглощённых (квантовый выход); свечение тела обычно смещено в длинноволновую область (закон Стокса).

Основные законы фотолюминесценции:

1). Квантовый выход фотолюминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света вплоть до некоторой предельной длины волны, при которой наблюдается падение выхода и преобразование в свет фотолюминесценции с более короткой длиной волны (закон С. И. Вавилова).

2). Для многих веществ спектры абсорбции и флуоресценции, вычерченные в функции частот, являются зеркально-симметричными (правило В. Л. Левшина).

3). Зависимость интенсивности флуоресценции раствора от концентрации флуоресцирующего вещества имеет максимум.

4). Тушение фотолюминесценции может вызываться различными причинами, увеличивающими безызлучательные переходы: увеличением температуры примесями, изменением рН раствора, увеличением концентрации флуоресцирующего вещества. Тушение фотолюминесценции может происходить без уменьшения или с уменьшением средней длительности возбуждённого состояния молекул (соответственно тушение 1-го или 2-го рода).

В твёрдом состоянии способностью к фотолюминесценции обладают редкоземельные элементы, соли уранила и многокомпонентные  системы, состоящие из кристаллических веществ, содержащие примесь посторонних ионов-активаторов, например, ZnS, CuS, так называемые фосфОры. Многие элементы образуют с органическими соединениями флуоресцирующие комплексы или соли, причём интенсивность свечения пропорциональна содержанию в растворе элемента. Фотолюминесценция органических веществ определяется строением их молекул; характерным является жёсткость структуры, исключающая свободное вращение частей молекулы, что снижает возможность безызлучательных переходов. Например, фенолфталеин не способен, а флуоресцеин способен к фотолюминесценции.

Фотолюминесценция находит применение в люминесцентном освещении (лампы дневного света), изготовлении светящихся шкал (кристаллофосфОры), люминесцентном анализе (люминесцентные реагенты), микробиологии и медицине (микробиологические люминесцентные индикаторы), в машиностроении (люминесцентная дефектоскопия), в строительстве (люминесцирующие меченые пески) и др.

Набор светящихся фигурок "Декорация настенная светящаяся".

В магазинах продаётся набор светящихся фигурок «Декорация настенная светящаяся». Данные фигурки изготовлены из пластика с добавлением люминофора. В наборе имеется липкая пластинка с защитной плёнкой, с помощью которой можно прикрепить фигурку на какую-нибудь поверхность.

SiteHeart
Фотолюминесценция: пояснительные рисунки.

Флуоресценция (а, в) и фосфоресценция (б, г) дискретных центров (а, б) и кристаллофосфоров (в, г): Н, В, М — нормальный, возбуждённый и метастабильпый уровни; ВЗ, ЗП — валентная зона и зона проводимости; 1 — оптические переходы электронов в результате поглощения света; 2 — переходы электронов, сопровождающиеся излучением кванта света; ПЯ — потенциальная яма (ловушка); Ц — центр свечения.